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Scuola Estiva di Fisica Tecnica 2008Benevento, 7-11 luglio 2008

Termofisica dell’involucro edilizio

Problematiche termoigrometrichedell’elemento di involucro edilizio opaco

prof. ing. Anna Magrini, Università di Pavia

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PSICROMETRIA

ARIA + VAPOR ARIA + VAPOR DD’’ACQUAACQUA = ARIA UMIDA= ARIA UMIDA

aria secca aria secca (O(O22≅≅23% e N23% e N22 ≅≅76% in massa) 76% in massa) componente unicocomponente unico

vapor d'acqua vapor d'acqua ((≅≅ 1% in massa)1% in massa)

composizione costante composizione costante durante le trasformazionidurante le trasformazioni

acqua in fase liquida acqua in fase liquida e in fase vaporee in fase vapore

Umidità assoluta o grado igrometrico x = mv / ma [kgv /kga]

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GRANDEZZE IGROMETRICHE

Pressione di saturazionecorrisponde alla massima

quantità di vapore che può essere contenuta nella miscela gassosa

eccesso di vapore eccesso di vapore

UmiditUmiditàà relativarelativa

Massa del vapore d'acqua alla temperatura tMassa del vapore d'acqua alla temperatura t--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Massa del vapor saturo alla stessa temperatura Massa del vapor saturo alla stessa temperatura

liquidoliquido

i = i = PPvv / P/ Pss i nell'intervallo (0 i nell'intervallo (0 ÷÷ 1) (0% 1) (0% ÷÷ 100%)100%)PPvv nell'intervallo (0 nell'intervallo (0 ÷÷ PPss))

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DIAGRAMMADI MOLLIER

ti = 20°Cii =70% te= - 8°C

Temperatura di Temperatura di rugiada:rugiada:

ttrr=14=14°°CC

Temperatura Temperatura limite superficialelimite superficiale

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Alcuni problemi comuni Alcuni problemi comuni

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8

A

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Distribuzione dell'acqua in funzione del tipo di Distribuzione dell'acqua in funzione del tipo di problemaproblema

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Effetti:Effetti:degrado di intonaci;degrado di intonaci;imputridimento delle imputridimento delle strutture lignee;strutture lignee;formazione di muffe formazione di muffe sulla superficie interna;sulla superficie interna;migrazione di sali, migrazione di sali, formazione di efflorescenze; formazione di efflorescenze; presenza di acqua condensata sulla superficie ed presenza di acqua condensata sulla superficie ed all'interno delle pareti;all'interno delle pareti;riduzione del grado di isolamento termico riduzione del grado di isolamento termico dell'involucro aumento della conduttivitdell'involucro aumento della conduttivitàà termica;termica;variazione dimensionale e danneggiamento di variazione dimensionale e danneggiamento di manufatti (fessurazioni e deformazionimanufatti (fessurazioni e deformazioni))..

Problemi igrometrici degli edificiProblemi igrometrici degli edifici

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Problemi igrometrici degli edificiProblemi igrometrici degli edifici

FENOMENI IGROMETRICI DI SUPERFICIE FENOMENI IGROMETRICI DI SUPERFICIE raggiungimento di elevati valori di umiditraggiungimento di elevati valori di umiditàà relativa relativa o condensazione del vapore sul lato interno o condensazione del vapore sul lato interno dell'involucro edilizio (fenomeni di superficie); dell'involucro edilizio (fenomeni di superficie);

CONDENSAZIONE INTERSTIZIALE all'interno CONDENSAZIONE INTERSTIZIALE all'interno delle strutture perimetrali delle strutture perimetrali

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Problemi igrometrici degli edificiProblemi igrometrici degli edifici

tempi pitempi piùù lunghi, delllunghi, dell’’ordine ordine di settimane, mesi con di settimane, mesi con effetti anche nel ciclo effetti anche nel ciclo stagionale e annualestagionale e annuale

fenomeni con uno sviluppo in pifenomeni con uno sviluppo in piùù lentolentonel tempo, rispetto a quelli termicinel tempo, rispetto a quelli termici

costanti di tempo costanti di tempo delldell’’ordine di ordine di

oreore--giornigiorni

partecipazione delle strutture

trasmissione del calore

trasmissione del vapore

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Problemi igrometrici degli edificiProblemi igrometrici degli edificiCriteri di progettazione per prevenire fenomeni Criteri di progettazione per prevenire fenomeni di degrado di degrado

per evitare danneggiamenti:per evitare danneggiamenti:intervenire sulle condizioni climatiche intervenire sulle condizioni climatiche interne interne modificare il disegno delle parti di modificare il disegno delle parti di edificio interessateedificio interessate

•• FENOMENI IGROMETRICI DI SUPERFICIE FENOMENI IGROMETRICI DI SUPERFICIE •• CONDENSAZIONE INTERSTIZIALE CONDENSAZIONE INTERSTIZIALE

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Problemi igrometrici degli edificiProblemi igrometrici degli edificiCriteri di progettazione per prevenire fenomeni di Criteri di progettazione per prevenire fenomeni di degrado degrado

il trasporto di vapore il trasporto di vapore èèdeterminato da determinato da differenze di temperatura differenze di temperatura differenze di pressione differenze di pressione del vaporedel vaporeNon si prendono in Non si prendono in considerazione:considerazione:risalita capillare risalita capillare accumuli di condensa accumuli di condensa all'interno di all'interno di componenti edilizi componenti edilizi tenuta all'acqua tenuta all'acqua meteorica, etcmeteorica, etc..

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Produzione di vapore in un ambienteProduzione di vapore in un ambienteNumero abitanti

123456

Produzione media oraria di vapore G [kg/h]

0.250.330.420.500.570.63

ΔΔPPvv = [G / (n V)] R= [G / (n V)] Rvv TT

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Produzione di vapore in un ambienteProduzione di vapore in un ambiente

000

270

540

810

1080

0

200

400

600

800

1000

1200

-5 0 5 10 15 20temperatura media mensile dell'aria esterna [°C]

[Pa]

molto alta

alta

media

bassa

molto bassa

((PPvivi -- PPveve)) in funzione della temperatura esterna e in funzione della temperatura esterna e della produzione di vapore (classi)della produzione di vapore (classi)

ΔPv = 400 Pa

ΔΔPPvv = [G / (n V)] R= [G / (n V)] Rvv TT UNI EN ISO 13788UNI EN ISO 13788

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Classi di concentrazione del vapore in un Classi di concentrazione del vapore in un ambienteambiente

ClasseClasse Uso dellUso dell’’edificioedificioMolto bassaMolto bassa MagazziniMagazziniBassaBassa UfficiUfficiMedia Media Alloggi con basso indice di affollamentoAlloggi con basso indice di affollamentoAlta Alta Alloggi con alto indice di affollamentoAlloggi con alto indice di affollamentoMolto altaMolto alta Edifici speciali Edifici speciali (es. lavanderie, distillerie, piscine)(es. lavanderie, distillerie, piscine)

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BILANCIO IGROMETRICO DI UN AMBIENTEBILANCIO IGROMETRICO DI UN AMBIENTE

((PPvivi -- PPveve))direttamente proporzionaledirettamente proporzionale aa

produzione di vapore per produzione di vapore per unitunitàà di volume G/V di volume G/V

inversamente proporzionale inversamente proporzionale al rinnovo di aria n. al rinnovo di aria n.

ΔΔPPvv = [G / (n V)] R= [G / (n V)] Rvv TT

inverno: se n inverno: se n molto ridottomolto ridotto (serramenti a tenuta) (serramenti a tenuta) per per ambienti piccoli + molte personeambienti piccoli + molte persone

PPvivi elevateelevateestate: estate: frequente apertura di finestre, frequente apertura di finestre, elevato rinnovo elevato rinnovo d'aria d'aria

maggiore maggiore PPviviPPvivi ≅≅ PPveve

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inversamente proporzionale a n, rinnovo inversamente proporzionale a n, rinnovo di ariadi aria

(Pvi - Pve)

direttamente direttamente proporzionale a G/V, proporzionale a G/V, produzione di vapore produzione di vapore per unitper unitàà di volumedi volume

(Pvi - Pve)elevata maggiore probabilitmaggiore probabilitàà di di

condensazionecondensazione

maggiore portata di vaporemaggiore portata di vapore

Pressione del vapore Pressione del vapore ΔΔPPvv = [G / (n V)] R= [G / (n V)] Rvv TT

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Fenomeni di superficieFenomeni di superficie

U.R.U.R. dipende dalla temperatura e quindi da:dipende dalla temperatura e quindi da:riscaldamento intermittente, riscaldamento intermittente,

attenuazione notturna, attenuazione notturna, cambiamenti climatici, cambiamenti climatici,

effetti connessi con l'inerzia termicaeffetti connessi con l'inerzia termica

valore di valore di riferimento riferimento limitelimite: :

U.R.U.R. = 80 % = 80 % su superfici su superfici

interne delle pareti interne delle pareti (normativa)(normativa)

U.R.U.R. = = PPvv//PPss

SpecieSpecie URURminmin necessaria per necessaria per la crescitala crescita

AlternariaAlternaria alternataalternata 85 %85 %AspergillusAspergillus versicolorversicolor 75 %75 %PenicilliumPenicillium chrysogenumchrysogenum 79 %79 %StachybotrysStachybotrys atraatra 94 %94 %MucorMucor plumbeusplumbeus 93 %93 %

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Fenomeni di superficieFenomeni di superficieFattore di temperaturaFattore di temperatura

ei

epiRsi tt

ttf

−−

=

Il più alto valore di fRsi, valutato nella stagione

invernale (Ottobre-Aprile), è il fattore di temperatura

minimo ammissibilemaxRsif

ΔΔP'P'vv = = RRvv T (G / V) / nT (G / V) / n

PPveve = f (mese)= f (mese)PPss = = PPvivi / 0.8/ 0.8

tpi = f-1 (Ps)

ΔΔPPvv = = PPvivi -- PPveveΔΔPPvv = 1.10 = 1.10 ΔΔ''PPvv

t3.237t269.17

s e5.610P +=

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Fenomeni di superficie Fenomeni di superficie -- TTrasmittanza U rasmittanza U Valore di progetto per strutture perimetraliValore di progetto per strutture perimetrali

maxRsiRsi f f >

flusso termico (parete perimetrale): flusso termico (parete perimetrale): ϕϕ = U A (t= U A (tii -- ttee))

in funzione di in funzione di ttpipi ϕϕ = = hhii A (tA (tii -- ttpipi))

quindi:quindi: U = U = hhi i (1 (1 -- ffRsiRsi))

maxRsiRsi f - 1 f1 <−

U = hi (1 - fRsi) < hi (1 - ) maxRsif

ei

epiRsi tt

ttf

−−

=

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Fenomeni di superficie Fenomeni di superficie -- TTrasmittanza U rasmittanza U Valore di progetto per strutture perimetraliValore di progetto per strutture perimetrali

U = hi (1 - fRsi) < hi (1 - ) maxRsifparete piana senza parete piana senza

schermi: schermi:

hhii = 4 W / (m= 4 W / (m22K)K)

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Fenomeni di superficie Fenomeni di superficie -- TTrasmittanza U rasmittanza U Valore di progetto per strutture perimetraliValore di progetto per strutture perimetrali

U = hi (1 - fRsi) < hi (1 - ) tabella 2.1 valori limite della trasmittanza termica U delle strutture opache verticali in W/m2K

zona climatica gen2006 gen2008 gen2010A 0.85 0.72 0.62B 0.64 0.54 0.48C 0.57 0.46 0.4D 0.5 0.4 0.36E 0.46 0.37 0.34F 0.44 0.35 0.33

maxRsif

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Fenomeni Fenomeni di superficiedi superficie

Trasmittanza Trasmittanza massima massima

in riferimento ai in riferimento ai valori massimi valori massimi ammissibili ammissibili delldell’’umiditumiditàà relativa relativa sulle superfici delle sulle superfici delle paretipareti

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Fenomeni Fenomeni di superficie di superficie

Trasmittanza Trasmittanza massima massima

in riferimento ai in riferimento ai valori massimi valori massimi ammissibili ammissibili delldell’’umiditumiditàà relativa relativa sulle superfici delle sulle superfici delle paretipareti

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Fenomeni di superficie Fenomeni di superficie Parametri di controlloParametri di controllo

ALTO n: ventilazione degli ambienti interni ALTO n: ventilazione degli ambienti interni sufficiente, prelevando aria dallsufficiente, prelevando aria dall’’esterno per diluire la esterno per diluire la concentrazione di vapore (riduzione di concentrazione di vapore (riduzione di PPvivi))

BASSA U: idoneo isolamento termico delle pareti per BASSA U: idoneo isolamento termico delle pareti per assicurare temperature superficiali interne (assicurare temperature superficiali interne (ttpipi) ) superiori al valore limitesuperiori al valore limite

due tipi di controllo:due tipi di controllo:

PPvivi = = PPveve + + RRvv T (G / V) / nT (G / V) / n

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Fenomeni di condensazione interstiziale Fenomeni di condensazione interstiziale

LEGGE DI FICK:LEGGE DI FICK:in assenza di condensazionein assenza di condensazione

g'g'vv = costante= costanteg'g'vv = (= (PPvivi -- PPveve) / ) / z'z'vtvt [kg/m[kg/m22s]s]

nei mesi invernali (valori medi mensili) nei mesi invernali (valori medi mensili)

PPvivi > > PPveve e te tii > t> tee

resistenza alla trasmissione del vapore resistenza alla trasmissione del vapore

z'z'vtvt = (1 / = (1 / ββii + + ΣΣ L / L / δδ + 1 / + 1 / ββee) ) [Pa / kg m[Pa / kg m22s]s]

1 / 1 / ββii e 1 / e 1 / ββe e = resistenze di trasporto di massa = resistenze di trasporto di massa convettivo (trascurabili) convettivo (trascurabili)

L / L / δδ = resistenza strato di materiale= resistenza strato di materiale

δδ = permeabilit= permeabilitàà al vapore [kg/m s Pa] al vapore [kg/m s Pa] z'z'vtvt = = ΣΣii LL ii / / δδ ii

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Fenomeni di condensazione interstiziale Fenomeni di condensazione interstiziale

Trasmissione del Trasmissione del vaporevapore

Trasmissione del Trasmissione del calorecalore

PPvivi > > PPveve ttii > t> tee

g'g'vv = (= (PPvivi -- PPveve) / ) / z'z'vtvt[kg/m[kg/m22s]s]

ϕϕ' = (t' = (tii -- ttee) / R') / R'tt[W/m[W/m22]]

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10456 Building materials and products —Hygrothermal properties — Tabulateddesign values and procedures fordetermining declared and design thermalvalues

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Fenomeni di condensazione interstiziale Fenomeni di condensazione interstiziale

Ipotesi:Ipotesi:il trasporto di umiditil trasporto di umiditàà si verifica in fase vapore in un si verifica in fase vapore in un materiale non igroscopico; materiale non igroscopico; non si considera l'effetto provocato dai gradienti termici non si considera l'effetto provocato dai gradienti termici esistenti nella struttura;esistenti nella struttura;non si considera il trasporto associato a moti convettivi non si considera il trasporto associato a moti convettivi di aria umida; di aria umida; condizioni di regime stazionario; condizioni di regime stazionario; l'acqua condensata non si muove verso le zone limitrofe l'acqua condensata non si muove verso le zone limitrofe pipiùù secche. secche.

Metodo di Metodo di GlaserGlaserconfronto grafico dell'andamento di confronto grafico dell'andamento di PPss e di e di PPvv

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Fenomeni di condensazione interstiziale Fenomeni di condensazione interstiziale Procedura:Procedura:

Calcolo della distribuzione di Calcolo della distribuzione di temperatura nella strutturatemperatura nella struttura

Calcolo della distribuzione di pressione di Calcolo della distribuzione di pressione di saturazione nella strutturasaturazione nella struttura

Calcolo della pressione di vapore internaCalcolo della pressione di vapore interna

Linea di congiungimento valore Linea di congiungimento valore internointerno--esternoesterno

Resistenza alla diffusione del vapore z'v

Ps

Resistenza alla diffusione del vapore z'v

Pv

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Fenomeni di condensazione interstizialeFenomeni di condensazione interstizialeEvaporazioneEvaporazione

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Fenomeni di condensazione interstiziale Fenomeni di condensazione interstiziale

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La condensazione dipende dalle condizioni La condensazione dipende dalle condizioni climatiche, valutate su base mensileclimatiche, valutate su base mensile

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Fenomeni di condensazione interstizialeFenomeni di condensazione interstizialeQuantitQuantitàà di vapore che condensa di vapore che condensa

Bilancio delle portate di vapore Bilancio delle portate di vapore

Portata Portata entrante (g'entrante (g'vivi) = ) =

= portata uscente (g'= portata uscente (g'veve) + quantit) + quantitàà di condensadi condensa

g'g'vivi -- g'g'veve = g'= g'ccg'g'cc = portata di vapore condensata per unit= portata di vapore condensata per unitàà di area di area

Condensazione: Condensazione: g'g'vivi -- g'g'veve > 0> 0

Evaporazione della condensa: g'Evaporazione della condensa: g'vivi -- g'g'veve < 0< 0

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Fenomeni di condensazione interstizialeFenomeni di condensazione interstizialeCalcolo della condensaCalcolo della condensaBilancio delle portate di vapore Bilancio delle portate di vapore

Portata entrante Portata entrante

g'g'vivi = (= (PPvivi -- PPvv**) / z') / z'vv**

Portata di vapore che esce dalla paretePortata di vapore che esce dalla parete

g'g'veve = (= (PPvv* * -- PPveve) / () / (z'z'vv -- z'z'vv*)*)

Portata di vapore condensata per unitPortata di vapore condensata per unitàà di area di area

g'g'cc== g'g'vivi -- g'g'veve

PPvv**

z'z'vv**

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Fenomeni di condensazione interstizialeFenomeni di condensazione interstizialeCondizioni per verifica positivaCondizioni per verifica positiva

QuantitQuantitàà di vapore che di vapore che condensa (in inverno) condensa (in inverno) UGUALE o inferiore a UGUALE o inferiore a quella che evapora (in quella che evapora (in estate) estate)

INFERIORE al limite INFERIORE al limite massimo ammissibile massimo ammissibile per il materialeper il materiale

Calcolo sulla base di condizioni climatiche medie mensiliCalcolo sulla base di condizioni climatiche medie mensili

Valutazione delle condizioni nel ciclo annualeValutazione delle condizioni nel ciclo annuale

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Fenomeni di condensazione interstizialeFenomeni di condensazione interstizialeEvaporazioneEvaporazione Stagioni Stagioni

intermedieintermedie

EstateEstate

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Fenomeni di condensazione interstiziale Fenomeni di condensazione interstiziale Criteri di intervento su strutture non idoneeCriteri di intervento su strutture non idonee

disposizione degli strati

esternomaggiore resistenza maggiore resistenza

termica R'termica R'

internomaggiore resistenza maggiore resistenza

alla diffusione del alla diffusione del vapore z'vapore z'vv

inserimento sul lato interno di un materiale ad alta resistenza alla diffusione (barriera al vapore)

Modifica dellModifica dell’’andamento della pressione di saturazioneandamento della pressione di saturazione

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Fenomeni di condensazione interstiziale Fenomeni di condensazione interstiziale Criteri di intervento su strutture non idoneeCriteri di intervento su strutture non idoneeInserimento di strati isolanti Inserimento di strati isolanti per mantenere la struttura a per mantenere la struttura a temperatura maggioretemperatura maggiore

Pareti verticali Pareti verticali -- CappottoCappotto

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Fenomeni di condensazione interstiziale Fenomeni di condensazione interstiziale Criteri di intervento su strutture non idoneeCriteri di intervento su strutture non idoneeInserimento di strati isolanti per mantenere la struttura Inserimento di strati isolanti per mantenere la struttura a temperatura maggiorea temperatura maggiore

Pareti verticali Pareti verticali -- CappottoCappotto

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Fenomeni di condensazione interstiziale Fenomeni di condensazione interstiziale Criteri di intervento su strutture non idoneeCriteri di intervento su strutture non idoneePareti verticaliPareti verticali

Isolante in intercapedineIsolante in intercapedine

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Fenomeni di condensazione interstiziale Fenomeni di condensazione interstiziale Criteri di intervento su strutture non idoneeCriteri di intervento su strutture non idonee

Inserimento di strati isolanti per mantenere la struttura Inserimento di strati isolanti per mantenere la struttura a temperatura maggiorea temperatura maggiore

Coperture Coperture

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Fenomeni di condensazione interstiziale Fenomeni di condensazione interstiziale Criteri di intervento su strutture non idoneeCriteri di intervento su strutture non idonee

Modifica dellModifica dell’’andamento della pressione di saturazioneandamento della pressione di saturazionecon inserimento di uno strato a bassissima permeabilità al vapore

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Fenomeni di condensazione interstiziale Fenomeni di condensazione interstiziale Criteri di intervento su strutture non idoneeCriteri di intervento su strutture non idonee

ventilazione naturale con aria esternaventilazione naturale con aria esternadella zona (intercapedine) interessata della zona (intercapedine) interessata alla condensazione alla condensazione

Diminuzione della pressione del vaporenell’ambiente con un maggiore controllodelle condizioni termoigrometriche, peresempio mediante ventilazione controllata

Smaltimento della condensaSmaltimento della condensa

Modifica delle condizioni ambientali interneModifica delle condizioni ambientali interne